Литература / Шишкин Г. Г. , Шишкин А. Г. Электроника 2009

= 2тср'/D, где D - цериод структуры, т. е. расстояние между се­

рединами зазоров двух соседних резонаторов: D = 2тcra/N. Тогда

Таким образом, замкнута.я колебательна.я система магнетро­ на в отличие от разомкнутой системы в ЛБВО обладает беско­ нечной последовательностью пространственных гармоник для каждого п-го номера вида колебаний.

Если рассматривать частотный спектр колебаний анодного

блока, то оказываете.я, что соседние виды колебаний очень не­

значительно различаются по частоте. При работе магнетрона в результате различных флуктуаций в источнике питания может наблюдаться «Перескок» в режиме работы магнетрона с одного

вида колебаний на другой, сопровождаемый скачкообразным

изменением частоты генерации колебаний. Существует два ос­

новных метода разделения колебаний: использование связок,

применение разнорезонаторных анодных блоков. Связки - это проводники, соединяющие точки анодного блока, находящиеся под одним и тем же СВЧ-потенциалом. Для колебаний вида те связки имеют электрический контакт на сегментах анодного

блока, расположенных через один резонатор. Разнорезонаторные

анодные блоки выполн.яютс.я, как правило, из двух групп резона­

торов с различными размерами, причем эти резонаторы череду­

ются друг с другом.

Механизм возникновения незатухающих колебаний в маг­

нетроне сходен с подобными .явлениями в клистроне и других электровакуумных генераторных приборах СВЧ с динамиче­

ским управлением. Колебания в магнетроне возникают из-за

флуктуаций плотности электронного потока. Колебания под­

держиваются за счет энергии источника электрического пита­

ния. В магнетроне, как и в других ЭВП СВЧ, происходит моду­

ляция по плотности и энергетическое взаимодействие сформи­

ровавшихся сгустков с электрическим полем.

Рассмотрим физический механизм взаимодействия элек­

тронного потока, перемещающегося в скрещенных {j х В-полях,

с СВЧ-полем. Электрическое СВЧ-поле в пространстве взаимо-

Рис. 14.6

действия имеет две составляющие: продольную S11 (вдоль по­ верхности катода или анода) и поперечную S_u направленную

перпендикулярно к поверхности электродов.

Рассмотрим процессы взаимодействия с каждой составляю­

щей. Начнем с продольной S • На рис. 14.6 показана развертка

11

магнетрона, там же представлена структура СВЧ-поля в некото­

рый момент времени t = t 0 • Все пространство взаимодействия разбито на две группы участков а и б, на каждом из которых по­

ле S имеет свое направление. Сначала рассмотрим движение

11

электронов, вылетающих с участков а катода. Если бы СВЧ-по­ ле отсутствовало, то электроны, вылетев с катода, описали бы циклоиду и с той же энергией, с которой вылетели, вернулись

бы на катод. Наличие же переменной составляющей электриче­

ского поля приводит к тому, что электроны на протяжении все­

го участка а будут перемещаться в тормозящем СВЧ-поле. В ре­ зультате они потеряют часть энергии и при обратном движении к катоду не смогут достигнуть его и остановятся в точке Б. Для

наглядности предположим, что время движения электрона от

точки А до остановки в точке Б равно Т/2. (Т - период СВЧ-ко~ лебаний). Следующий цикл электрон начинает свое движение

из точки Б в условиях, аналогичных моменту вылета электрона

из катода (точка А), и остановится через полпериода в точке В и

т. д. Через Т/2 направления полей S на участках а и б изменя­

11

ются на противоположные. Аналогичная картина будет наблю­

даться на всех участках а пространства взаимодействия. Элект­ роны, вылетающие с катода б, будут ускоряться СВЧ-полем, по­ лучать дополнительную энергию и будут возвращаться на катод. В результате весь электронный поток разобьется на ряд сгустков (спиц). Каждая спица образуется на одном пространст-

14.4. Характеристики и параметры магнетронов

"Условием для отдачи электронами максимальной энергии высокочастотному полю является равенство фазовой скорости бегущей волны и средней скорости движения электронов в от­

сутствие колебаний: vФ(n,p) = vцк• т. е. в магнетроне реализуется

условие синхронизма. Средняя скорость движения электронов

неизменна для определенного режима работы магнетрона. Сле­

довательно, и средняя кинетическая энергия электронов оста­

ется постоянной. Потенциальная же энергия электронов изме­ няется по мере подъема электронов к аноду. Она максимальна

на катоде и равна еИа, т. е. определяется полной разностью по­ тенциалов между катодом и анодом, и минимальна (равна ну­

лю) на аноде.

Пользуясь условием синхронизма, можно приближенно оп­

ределить электрические и магнитные поля, соответствующие

рабочим режимам магнетрона:

окружности в середине пространства взаимодействия (ra, rк -

соответственно радиусы анода и катода); d = ra - rк - расстоя­ ние между катодом и анодом. "Условие синхронизма меняется

при переходе от одной точки к другой в направлении анода. Рас­ смотрим это условие для некоторой средней линии между като­

дом и анодом. Для пространства ближе к аноду от этой средней

линии рассматриваемое условие будет выполняться с избыт­ ком, ближе к катоду с недостатком:

ro(ra + rк)

Из этого выражения видно, что для каждого вида колебаний существуют оптимальные соотношения между Иа и В0, при этом 7t-вид колебаний требует для своего возбуждения наименьшего

анодного напряжения. Одним из признаков возбуждения коле­ баний является протекание конвекционного тока в анодной це­ пи магнетрона. Постоянное.анодное напряжение иа, при котором возникают СВЧ-колебания, принято называ'fЬ пороговым напряже­ нием магнетрона. Анализ показывает, что простое напряжение ип может быть определено по формуле

(14.14)

В соответствии с последней формулой построим графики

(рис. 14.8). На этом рисунке изображена парабола критического режима и прямые линии, касательные к параболе. Каждая прямая

линия определяет пороговое напряжение как функцию магнитно- ' го поля для каждого вида колебаний п (рассматривается восьмире­

зонаторный анодный блок, т. е. N = 8). Значения анодных на­ пряжений для различных п в точках касаниw прямых называ­ ются потенциалами синхронизации исп· При иа =исп (п = 1, 2, 3, 4,

см. рис. 14.8) электроны, двигаясь около анода параллельно его

поверхности, _оказываются в синхронизме с СВЧ-волной. Для то­

го чтобы электроны попадали на анод, рабочее анодное напряже­

ние магнетрона всегда должно удовлетворять условию иа >исп'

т. е. находиться выше линии порогового напряжения, при этом

иа не может сильно отличаться от ип, иначе будет нарушаться

условие синхронизма. Таким образом, при рабочих режимах

магнетрона анодные напряжения имеют значения, близкие к

величинам, соответствующим линиям порогового напряжения

для различных видов колебаний. На рис. 14.8 штриховкой от­ мечены области значений иа и В0, где вообще нет рабочих режи­

мов магнетрона. При значениях иа и В0, находящихся выше па­ раболы критического режима, электроны, вылетая с катода и не

как индукция магнитного поля В0 = В1' В2, В3, •• " колебатель­ ная мощность Рк' КПД 1) и частота генерируемых :колебаний ro.

Обычно рабочие характеристики линии постоянных значений В0, Рк и 11 - изображаются на одном графике в координатах Иа'

Ia (рис. 14.9).

Рассмотрим каждое семейство кривых Иа = f(I а> при В0 =

= const, затем при 11 = const и Рк = const.

КПД магнетрона 11 определяется электронными потерями 11е

и потерями в колебательной системе 11к' т. е.11=11е11к· Электрон­

ные потери 'lle определяются отношением энергии, получаемой СВЧ-полем, :к полной энергии электронов, приобретенной от ис­ точника электрического питания. Основную долю потерь в 11е

составляют потери на аноде, и, поскольку электроны попадают

на анод со скоростью, не меньшей, чем фазовая скорость волны

данного вида колебаний, минимальная скорость электронов оп­ ределяется потенциалом синхронизации. Кинетическая энер­

гия, соответствующая этой скорости, рассеивается в виде теп­

ла. Вторую группу электронных потерь составляют электроны,

которые попадают в неблагоприятную. фазу СВЧ-волны и воз­

вращаются на катод, разогревая его. Поэтому часто после воз-

Рк > Р:;" > Р:;' > Р:; > Р~

Иа,кВ---~---т~--т-<..-----~-~

14

Рис. 14.9

никновения генерации напряжение накала (подогрева) катода

уменьшают. КПД колебательной системы определяется актив­

ным сопротивлением резонатора.

При неизменной величине индукции магнитного поля В0 = = const и увеличении анодного напряжения от нуля до Иа < Ип

(Ип - пороговый потенциал) анодный ток очень мал, поскольку

магнетрон работает в закритическом режиме, и СВЧ-колебания

отсутствуют. При достижении пороговой величины Иа = Ип

магнетрон возбуждается, и анодный ток нарастает. При работе

магнетрона необходимо выполнение условия синхронизма, т. е. vф(n,p) = Ve- Здесь

(14.15)

При постоянной индукции магнитного поля В0 = const возмож­

но изменение Ип в небольших пределах (не ОТJ?ажено на рис. 14.8).

Увеличение анодного напряжения выше порогового вызывает

увеличение скорости вращения спицы, в результате чего центр

спицы смещается относите:Льно максимума тангенциальной со­

ставляющей напряженности электрического СВЧ-поля. Наводи­ мый в анодной цепи ток начинает опережать СВЧ-напряжение, и

эквивалентная .проводимость анодного блока приобретет емкост­

ной характер. Частота генерируемых колебаний возрастает. Это

явление носит название «электронного смещения частоты~ (явление,

аналогичное электронной настройке частоты). Изменение анодно­

го напряжения, вызывающее пропорциональное изменение часто­

ты, позволяет автоматически поддерживать условие синхронизма

VФ(n,p) = ve.

При изменении В для сохранения условия синхронизма

(14.16)

необходимо пропорциональное изменение Иа.

Чтобы объяснить семейство кривых 11 = const, рассмотрим

зависимости 11 = f(I а) при Иа = const и 11 = f(U а) при I а = const, т. е. заменим параметр функцией, а функцию и аргументы по

очереди будем делать параметром. Указанные две зависимости,

полностью объясняют линии постоянного КПД на рабочих ха­ рактеристиках. Рассмотрим сначала зависимость 11е = f(Ia) при

Иа = const. Как легко увидеть из семейства рабочих характерис­ тик, КПД ri сначала увеличивается с возрастанием тока I а• а по­

том уменьшается.

При малых токах I а мала и амплитуда переменного напряже­ ния на анодном блоке магнетрона; фазовая группировка элект­

ронов в спице, обусловленная радиальной составляющей элект­

рического СВЧ-поля, в этом случае проявляется слабо. Спица

плохо сформирована. Много электронов выпадает из синхро­

низма с волной и возвращается на катод, что приводит к малому

уровню мощности Рк и соответственно малому 'l'le· "Увеличение I а

улучшает группировку электронов в спице. Все большее количе­ ство электронов в спице приближается к области максимального значения тангенциальной составляющей напряженности элект­ рического СВЧ-поля, эффективность взаимодействия электронов с СВЧ-полем улучшается, растет его напряженность и выходная мощность увеличивается. При больших I а генерируемая мощ­

ность Рк и 'l'le уменьшаются из-за разгруппировки спицы под дей­ ствием большого объемного заряда электронов (большой то:к -

много электронов в спице - большой объемный заряд - боль­

шие кулоновские силы расталкивания).

Как видно из рабочих характеристик, функция ri = f(Uа> при

Ja = const является возрастающей, т. e. ri становится больше при увеличении Иа. При объяснении этой зависимости учтем, что

кинетическая энергия электронов, падающих на анод, не может

быть меньше еИсп• Если пренебречь потерями на катоде, то

(14.17)

где Р0 = JaUa - мощность, затрачиваемая источником питания

на формирование электронного потока, Ис = UClf.

Выражение (14.17) показывает, что 'l'le растет при увеличе­

нии Иа. Однако реальные значения КПД меньше, чем вычис­

ленные по последней формуле. Объясняется это тем, что кине­

тическая энергия электронов, падающих на анод, оказывается

значительно больше, чем еИсп• поскольку величина eUcn опреде­

ляет скорость vцк центра образующей окружности, а электроны

могут попасть на анод в любой точке циклоиды. С увеличением Иа

для соблюдения условия синхронизма пропорционально увеличи-

вается и индукция магнитного поля, поскольку vФ(n,p) = vцк =

циональное увеличение иа и в приводит к уменьшению радиуса

т[]а

образующей окружности R, так как R =( rа - rк) еВ2 • Следова-

тельно, высота и период циклоиды уменьшаются, что приводит

к уменьшению средней кинетической энергии электронов, бом­

бардирующих анод. ~меньшение радиуса R ::щвивалентно

уменьшению мгновенного значения кинетической энергии при

постоянстве скорости перемещения центра круга vцк·

Рассмотрим кривые Рк = const. Колебательную мощность

в координатах Иа, Ia кривые Рк = const близки к гиперболе. От­

клонение от гиперболы обусловлено зависимостью Т\ от Иа и Ia.

14.5. Приборы магнетронного типа

Приборы магнетронного типа (типа М) могут быть как гене­

раторами, так и усилителями. Отметим свойства наиболее рас­

пространенных из них.

Митроны. Магнетроны, перестраиваемые напряжением (мит­ роны), это широкополосные генераторы магнетронного типа.

Электрическая перестройка частоты в широких пределах в мит­

роне осуществляется в основном либо путем ограничения эмисси­

онного тока катода (или тока анода), либо применением внешней

колебательной системы малой добротности. в качестве колеба­

тельной системы в митроне используется

встречно-штыревая структура 3 (рис. 14.10),

странство извне. Для формирования необходимой структуры

СВЧ-поля в центр прибора помещается холодный (не эмитирую­ щий) катод 2. Между горячим катодом и анодной структурой располагается управляющий электрод 4. Так же как и в магнет­

роне, поперечное по отношению к электрическому магнитное

поле формируется с помощью постоянного магнита 5.

Различают два основных типа митронов:

1) широкополосные митроны, характеризуемые отношени­ ем максимальной генерируемой частоты к минимальной, равным 2 : 1 или при уровне выходной мощности до

1,5... 3 Вт;

2) узкополосные митроны с перестройкой по частоте в преде­ лах 5... 20% при уровне выходной мощности от 3 до 150 Вт.

Митроны работают на частотах вплоть до 1 мм (300 ГГц). При возрастании анодного напряжения Иа изменяется на­

пряженность радиального электрического поля в пространстве

взаимодействия и, следовательно, скорость вращения спиц, по-

дить среднюю линию каждого резонатора, равна f = vцкlD (D -

расстояние между соседними резонаторами, или период струк­

цией Иа' что подтверждается экспериментально. Зависимость

выходной мощности от частоты Рвых = F(f) подобна резонансной

кривой анодной системы при ее низкой добротности. Это значит,

что мощность на выходе пропорциональна импедансу, на кото­

рый нагружен электронный поток. Зависимость Ja = F 1(f) анало­

гична зависимости Р = F(f) мощности от частоты при В = const.

Лампа бегущей волны тиnа М {ЛБВМ). ЛБВМ используются

как эффективные усилители мощных СВЧ-колебаний. Досто­

инствами этих магнетронных усилителей являются высокий КПД (до 70% ), относительно низкие рабочие напряжения,

например при Рвых = 100 кВт анодное напряжение составляет

Ua = 10".12 кв, а при Рвых = 1 МВт Иа = 25 .. .40 кВ. Импульсные

ЛБВМ имеют Рвых до 10 МВт при Иа = 100 кВ с поло.сой пропус­ кания Лf::::: 1 7% .